4.12. Предельные (кавитационные) режимы струйных насосов

Если статическое давление на каком-либо участке проточной части СН снижается до давления насыщенных паров текущей жидкости, то в ней возникает парообразование (холодное кипение). Образовавшаяся паро-жидкостная смесь при последующем перемещении попадает в область повышенного давления, где происходит быстрая конденсация паров. Жидкость мгновенно заполняет остающиеся полости, вызывая гидравлические удары. Это явление называют кавитацией, а режим работы СН — кавитационным. Возникновение такого режима наиболее вероятно на участках с наиболее высокой температурой и наиболее низким статическим давление. Такими участками в СН являются выходной участок рабочего сопла и входной участок камеры смешения. Для первого из них характерно струйное истечение высоконапорной вскипающей жидкости, для второго — струйное кавитационное течение инжектируемой или смешанной жидкости.

Кавитация в СН сопровождается режимами так называемого предельного расхода среды, характерными тем, что снижение давления за участком кавитации не сопровождается увеличением расхода; при этом внешние возмущения после участка кавитации не передаются через этот участок. Это обстоятельство свидетельствует о том, что скорость среды на участках кавитации равна местной скорости звука.

Кавитационная эрозия проточной части СА рассмотрена в [16].

Кавитационные струйные течения — одно из перспективных направлений ускорения химических реакций, смешения жидкости с жидкостями и газами, получения эмульсий, диспергирования и испарения жидкостей, интенсификации массообменных процессов [32]. Например, в случае использования СН в качестве диспергатора [17] для получения водотопливной эмульсии (ВТЭ) или при подготовке к сжиганию загрязненных вод отмечается благотворное влияние кавитации на качество смешения и качество ВТЭ.

Кавитационный режим сопла. Подобный режим в СН с сужающимся соплом имеет место при истечении однородной «недогретой» или насыщенной рабочей среды с высокой температурой. Задача по определению предельного расхода среды в этом случае является одной из ключевых с точки зрения анализа аварийных ситуаций на атомных электростанциях, в аппаратах химической технологии, нефтепроводах и других установках современной техники [15, 33].

Кавитационный режим сопла реализуется также в случае выполнения сопла в виде трубы Вентури и рассмотрен в [32], где предлагается физико-математическая модель кавитации и процесса эжекции.

Кавитационный режим камеры смешения. Минимальное давление инжектируемого или смешанного потока имеет место во входном сечении 2–2 цилиндрической камеры смешения (см. рис. 4.3 б). Это минимальное давление р₂ = р_н – Δр_к, где Δр_к — падение давления на входном участке камеры смешения, определяемое по (6.3(4.65). При давлении р₂, равном давлению насыщенного пара смешанного потока р_нп, проходящего через камеру смешения, в насосе возникает кавитационный режим. Давление р_нп зависит от температуры смешиваемых потоков t_p и t_н и коэффициента инжекции u. При одинаковых теплоемкостях взаимодействующих сред (с_р = с_н = с_с) температура смешанного потока

. (6.18(4.80)

Принимая р₂ = р_нп, из (6.3(4.65) нетрудно получить зависимость для расчета кавитационного коэффициента инжекции u_к в виде

. (6.19(4.81)

Как видно из (6.19(4.81), u_к растет с увеличением и р_н, а также при снижении р_нп и ∆р_р.

При заданных температурах рабочего и инжектируемого потоков и одинаковых теплоемкостях взаимодействующих сред каждой температуре смешанного потока t_c согласно (6.18(4.80)) соответствует коэффициент инжекции .

Кавитация в насосе наступает при u = u_к. Если t_p = t_н = t_c, давление насыщенного пара р_нп = f(t_c) — величина постоянная.

Пример 6.2. Основной геометрический параметр струйного насоса . Параметры рабочей воды: р_р = 1100 кПа; t_р = 150 °C; u_р = 0,0011 м³/кг, ; р_нп = 476,2 кПа. Параметры инжектируемой воды: р_н = 500 кПа; t_н = 130 °C; u_н = 0,00107 м³/кг. Проверить возможность возникновения кавитационного режима и построить характеристику ∆р_с = f (u) (пример заимствован из [14]).

С целью проверки возможности возникновения кавитационного режима на входном участке камеры смешения зададимся рядом значений коэффициента инжекции u. Для каждого из них по (6.18(4,80) найдем среднюю температуру смешанного потока t_c и соответствующее ей давление насыщенного пара р_нп. Далее по найденным р_нп и заданным р_р, р_н и найдем по формуле (6.19(4.81) кавитационные коэффициенты u_к. Кавитационный режим на входном участке камеры смешения возникает при u = u_к.

Результаты расчета приведены в таблице и представлены графически на рис. 6.6.

u	tc	pн, кПа	uк
0	150,0	476,2	1,023
0,5	143,3	396,7	2,152
1,0	140,0	361,1	2,505
2,0	136,7	328,2	2,758
3,0	135,0	312,7	2,925
4,0	134,0	303,7	2,998

Рис. 6.6. К расчету кавитационного режима камеры смешения: а) определение кавитационного коэффициента инжекции u, u_к = f (t_c); б) характеристика струйного насоса

Как видно из графика (рис 6.6, а), кавитационный режим во входном сечении камеры смешения возникает при t_c = 135,1 °С, когда u = u_к = 2,917. Характеристика СН (рис. 6.6 б) построена по (6.1). При u = 2,917 в насосе возникает кавитационный режим. Снижение создаваемого перепада давлений ∆р_с не приводит к увеличению коэффициента инжекции.